量子跟物质是否无限可分，完全是两回事 | 科技袁人

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导读


人是统计人数时的量子，但这话丝毫不意味着人不能分解为器官、组织、细胞等等。我们要强调的只是，在统计人数时，一个人就是一个基本单元，我们要统计的是有多少个人而不是有多少个细胞。

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本视频发布于2021年12月29日，点赞量已达4089

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什么叫做“量子”？最近，我在一个会议上做了一场介绍量子信息的报告，然后有人提问。他说听到过有人说：光子是量子，质子不是量子。我问他为什么这样说，是因为质子是由三个夸克组成的吗？他说是的。

这令我想起，在我的文章的评论区中也经常见到类似的观点，即把量子跟物质是否无限可分联系起来。在他们看来，只有不可再分的粒子才叫做量子。前面说的“光子是量子、质子不是量子”，就是这种观点。还有人还从哲学上认为，物质是无限可分的，因此不存在量子。

在我看来，这是一种概念混用的错误。量子跟物质是否可分是两回事，跟物质是否无限可分更完全是两回事。假如我们将来发现夸克又可以分成别的什么粒子，难道那时又要说夸克不是量子，那种粒子才是量子吗？这都完全是乱套的。

在我最近出版的科普书《量子信息简话》中，对量子这个概念给出了明确的定义：离散变化的最小单元。也就是说，如果一个事物是不连续地、跳跃式地变化的，我们就说这种事物是量子化的，把变化的最小单元叫做这种事物的量子。

例如我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶。我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人。这些就是离散变化。对上台阶来说，一个台阶就是一个量子。对统计人数来说，一个人就是一个量子。这些例子说明，量子不一定是很小的，它完全可以是个宏观事物，真正重要的只是这个事物是否离散变化。

还需要注意的是，我们从来不会泛泛而谈某个东西是量子或不是量子，我们只会说某个东西是某个事物的量子。例如光子是光的量子，因为一束光至少要有一个光子。电子是阴极射线的量子，因为一束阴极射线至少要有一个电子。

铁原子是铁的量子，因为一块铁至少要有一个铁原子。这句话跟Fe原子是否可分毫无关系。实际上我们当然知道Fe原子可以分为Fe原子核与电子，Fe原子核又可以分为质子和中子，质子和中子又是由夸克组成的，但这些丝毫不影响“Fe原子是Fe的量子”。初中就学过，Fe原子是保持Fe的化学性质的最小单元。你当然可以把Fe原子分成更小的粒子，但那些粒子就不是Fe了。

正如前面的例子，人是统计人数时的量子，但这话丝毫不意味着人不能分解为器官、组织、细胞等等。我们要强调的只是，在统计人数时，一个人就是一个基本单元，我们要统计的是有多少个人而不是有多少个细胞。大家明白这意思了吗？

关于质子和夸克的关系，实际上我们早已有一个术语来表达，就是说质子是一个“复合粒子”（composite particle）。类似的，Fe原子也是复合粒子。反之，电子和光子到目前为止仍然没有发现有内部结构，所以我们称它们为“基本粒子”（elementary particle）。一个粒子是复合的还是基本的，当然是一个重要的问题，但这跟它是不是量子完全是两个范畴的问题。

还经常有人认为，物质是无限可分的，所谓基本粒子都可以再分，所以它们都不基本。其实这只是个哲学信念，对实验毫无意义。因为真正重要的是，这样的信念能得出什么可观测的效应。比如你说电子是可分的，好啊，请你设计一个实验表现出电子的结构。如果你设计不出来，那你这话有什么意义？

实际上，物理学家们已经做了很多年的实验，来探测电子的结构，例如测量它的半径与电荷分布。但到目前为止，一切实验结果都没有测出电子有非零的半径下限，也就是说没有发现电子不是点粒子的任何迹象。在这种情况下，我们只能说，在现有的实验精度内，电子就是一个点粒子，没有内部结构。这句话有非常大的信息量，而不是像那些高谈“物质无限可分”的口头哲学家们一样，除了玄想之外什么信息量都没有。

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作者简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，中国科学技术大学科技传播系副主任，中国科学院科学传播研究中心副主任，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

责任编辑：祝阳